Birgitt Täuber-Rusch - Mitochondrien

• Bewegungsenergie (kinetische Energie)

• Lageenergie (potenzielle Energie)

• Wärmeenergie

• Elektrische Energie

• Atomenergie, Kernenergie

• Strahlungsenergie (elektromagnetische Wellen, Sonnenenergie)

• Chemische Energie

Streng physikalisch gesehen kann Energie nicht erzeugt oder vernichtet werden, da bei allen Energieumwandlungen die Menge der Energie – zumindest in abgeschlossenen Systemen – immer gleich bleibt. Wenn wir von »Energieerzeugung« sprechen, verstehen wir darunter den Prozess, bei dem eine Energieform in eine andere gewünschte oder benötigte Form umgewandelt wird. Dieser Umwandlungsprozess erzeugt immer Wärme, die als »Energieverlust« bezeichnet wird, wenn eigentlich eine andere Energieart benötigt wird. Es wird also nur ein Teil der Ursprungsenergieart in eine andere umgewandelt. In der Technik spricht man vom »Wirkungsgrad«. Je höher der Wirkungsgrad, desto effektiver ist der Umwandlungsprozess. Bei der konventionellen Stromerzeugung wird z.B. ein Teil der chemischen Energie der Brennstoffe Öl, Kohle oder Gas in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 30–45 Prozent umgewandelt; der Energieverlust in Form von Wärme ist dabei also sehr hoch.

In uns Menschen wird bei jeder Form von »Arbeit« Energie umgewandelt, z.B. wenn wir uns im Alltag bewegen, Sport treiben oder geistige Leistungen vollbringen, wenn unser Herz das Blut durch die Adern pumpt, wenn wir unser Mittagessen verdauen oder wenn insgesamt Stoffwechselprozesse ablaufen. Die dabei entstehende Wärme sorgt dafür, dass die für die physiologischen Stoffwechselvorgänge nötige Grundtemperatur von ca. 37 Grad im Körper aufrechterhalten wird. Verschiedene Kontroll- und Regelsysteme gewährleisten normalerweise, dass unser Körper weder auskühlt noch überhitzt, sondern in einem engen Temperaturrahmen bleibt, in dem der Körper optimal arbeiten kann.

»Arbeit« kennzeichnet also immer einen Vorgang oder Prozess, »Energie« dagegen kennzeichnet den Zustand eines Körpers.

Neben der wissenschaftlichen Sichtweise von Energie finden wir viele andere Energiebegriffe, z.B.:

• Feinstoffliche Energie

• Lebensenergie und Lebenskraft

• Seelenenergie

• Chi

• Prana

Diese Energieformen können messtechnisch nicht erfasst oder nachgewiesen werden und werden deshalb von der etablierten Naturwissenschaft ignoriert. Insofern werden diese vorwiegend im philosophischen, spirituellen und religiösen Kontext beschrieben. Wir gehen später genauer darauf ein (➧ Teil 3).

Pflanzen, Menschen, Tiere – eine Energie-Symbiose

In der Natur ist im Lauf der Entwicklungsgeschichte des Lebens auf unserem Planeten ein fein aufeinander abgestimmtes Gleichgewicht zu beobachten. Alle Lebensformen wirken daran mit und haben so das Leben, Überleben und die permanente evolutionäre Weiterentwicklung ermöglicht.

Eine der für uns wichtigsten »Arbeitsteilungen« in der Natur ist die Produktion von Sauerstoff durch die Pflanzen und die Produktion von Kohlendioxid durch Menschen und Tiere. Für ihre Energiegewinnung und zum Leben benötigen die meisten Pflanzen Kohlendioxid, wohingegen Menschen und die meisten Tiere Sauerstoff brauchen.

Pflanzen betreiben Photosynthese – der wahrscheinlich wichtigste Prozess in der Geschichte des Lebens auf der Erde. Vor ca. 4,5 Milliarden Jahren bestand die Erdatmosphäre aus einem Gemisch aus eher lebensfeindlichen Gasen, z.B. Wasserstoff, Helium, Ammoniak, Methan.

Vor ca. 2,5 Milliarden Jahren tauchten Algen und Bakterien auf, bei deren Stoffwechsel als Abfallprodukt Sauerstoff anfiel: Er reicherte sich in mehreren Hundert Millionen Jahren in der Erdatmosphäre an, bis die heutige Konzentration von 21 Prozent Sauerstoff erreicht war. Menschen und Säugetiere können nicht selbst Sauerstoff produzieren. Er wird zu 100 Prozent durch Photosynthese von Algen, Bakterien und Pflanzen synthetisiert.

Die Chemie beschreibt diesen Vorgang mit der folgenden Formel:

6 H 2O + 6 CO 2+ Licht → 6 O 2+ C 6H 12O 6

Pflanzen benötigen sechs Moleküle Wasser, sechs Moleküle Kohlendioxid und Licht und stellen daraus in einem chemischen Prozess sechs Moleküle Sauerstoff und ein Molekül Glukose her. Glukose, den sogenannten Traubenzucker, benötigt die Pflanze als Ausgangsstoff für die Herstellung von Fetten und Eiweißen. Der bei der chemischen Reaktion anfallende Sauerstoff ist für die Pflanze ein reines Abfallprodukt und eher ein »notwendiges Übel«. Der Sauerstoff wird über bestimmte Zellen, die Schließzellen, aus der Pflanze transportiert und an die Umwelt abgegeben.

Die Photosynthese – die Energiegewinnung der Pflanze – findet in den Chloroplasten statt, die hinsichtlich ihrer Funktion den Mitochondrien bei Menschen und Tieren entsprechen: Sie sind die Kraftwerke der Pflanzen und dienen der Energiegewinnung und -bereitstellung für alle wichtigen Vorgänge der Pflanze.

Dabei wird über die eben erwähnten Schließzellen Kohlendioxid in das Innere der Chloroplasten befördert. Wasser wird in den Pflanzen über Xylem – das holzige Leitgewebe, das Wasser und anorganische Salze in der Pflanze transportiert – zu den Chloroplasten gebracht.

Chlorophyll, der »Farbstoff der Pflanzenzelle«, sorgt dafür, dass Sonnenlicht absorbiert wird. Ohne die Energie des Lichts kann keine Photosynthese stattfinden.

Die Entwicklung der Photosynthese vor ca. 2,5 Milliarden Jahren leitete eine der großen Wandelphasen in der Geschichte des Lebens ein. Für alle bis dahin existierenden Lebensformen stellte Sauerstoff mit seiner stark oxidierenden Wirkung einen Giftstoff dar. Die Entstehung von Lebensformen vor ca. 1,5 Milliarden Jahren, die die Atmungskette und Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzten, schuf Voraussetzungen, um weit mehr Energie zu gewinnen als unter den bisher bekannten Bedingungen.

Hier zeigt sich die erstaunliche Anpassungsfähigkeit der Natur und des Lebens auf sich verändernde Umweltbedingungen. Mit dem vermehrten Auftreten von Sauerstoff in der Atmosphäre entwickelten sich zunächst Organismen, die den Sauerstoff tolerieren konnten, bis es einigen Organismen gelang, den Sauerstoff – bisher Gift und Feind des Lebens – zu verstoffwechseln und für ihre Energiegewinnung zu nutzen. Die ersten derartigen Zellen waren wahrscheinlich Prokaryoten, später wurden sie als Eukrayoten von Ur-Eukrayoten aufgenommen.

Autotrophe und heterotrophe Lebensformen

Heute unterscheiden wir grundsätzlich zwischen autotrophen und heterotrophen Lebensformen.

Autotrophe Organismen sind Lebewesen, die mithilfe von Energie ihre notwendigen Baustoffe ausschließlich aus anorganischen Stoffen aufbauen. Stoffe, die keine Kohlenstoffatome enthalten, werden in der Chemie als »anorganische« Stoffe bezeichnet. Als Ausnahmen werden zu den anorganischen Stoffen Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Karbonate gezählt, die Kohlenstoff enthalten. Alle anderen Stoffe sind organische Stoffverbindungen.

Autotrophe Organismen gewinnen die benötigte Energie entweder durch Photosynthese aus Sonnenlicht oder aus chemischen Stoffen.

Auf der Grundlage der sogenannten Biomassenproduktion der autotrophen Lebewesen ist die heterotrophe Ernährungsform entstanden. Dabei werden organische Verbindungen zur Bildung der Baustoffe verwendet. Pilze, viele Bakterien, einige wenige Pflanzen, Tiere und Menschen sind heterotrophe Lebensformen.

Der Stoffwechsel

Der Stoffwechsel oder Metabolismus bildet die Grundlage aller lebenswichtigen Vorgänge im Körper und umfasst im weitesten Sinne alle biochemischen Vorgänge in Lebewesen: die Atmung, die Nahrungsaufnahme, die Verarbeitung und die Ausscheidung von Stoffen usw.

Vor allem versteht man unter dem Stoffwechsel die biochemischen Prozesse innerhalb einer Zelle, also den Abbau, Umbau und Neuaufbau – die Verstoffwechselung – der Nährstoffe, die den Zellen zugeführt werden.